隋鐵流

(東北特殊鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司 116031)

電渣爐的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)形式和選擇方法

隋鐵流

(東北特殊鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司 116031)

文章對(duì)電渣爐的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)形式以及選擇方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹.著重對(duì)大型電渣爐的選型作了的介紹.

電渣爐;結(jié)構(gòu);種類(lèi)

近些年來(lái)，我國(guó)電渣冶金取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展.新建電渣爐的臺(tái)數(shù)之多，速度之快，噸位之大，都已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象.隨著電渣爐建造數(shù)量的不斷增加，電渣爐種類(lèi)及結(jié)構(gòu)型式的選擇已成為擺在電渣冶金工作者面前的一個(gè)重要的、值得思考的問(wèn)題.

1 電渣爐的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)形式

電渣爐屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，因此有很多種類(lèi)，以及各種各樣的結(jié)構(gòu)形式.從用電的種類(lèi)上分，電渣爐可分為:交流電渣爐、直流電渣爐;單相電渣爐、三相電渣爐.從結(jié)構(gòu)形式上分，又可分為單支臂電渣爐、雙支臂電渣爐;單熔位電渣爐、雙熔位電渣爐、三熔位電渣爐;抽錠式電渣爐、固定式電渣爐和抽錠、固定式兩用電渣爐;支臂旋轉(zhuǎn)式電渣爐、立柱旋轉(zhuǎn)式電渣爐以及車(chē)架式電渣爐.抽錠式電渣爐又分為臺(tái)車(chē)、電渣錠向下移動(dòng)和支臂、結(jié)晶器向上移動(dòng)等不同形式.支臂和脫錠臺(tái)車(chē)的傳動(dòng)方式有絲杠傳動(dòng)、鋼絲繩傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)和液壓傳動(dòng).從爐口氣氛上劃分，有應(yīng)用最普遍的爐口敞開(kāi)的常規(guī)電渣爐、氣密型保護(hù)氣氛電渣爐、壓力電渣爐和真空電渣爐.從用途上分，除普通的常規(guī)電渣爐外，還有帶有導(dǎo)電結(jié)晶器功能的電渣爐、快速電渣重熔電渣爐等.另外，還有雙極串聯(lián)電渣爐和三個(gè)單相雙極串聯(lián)電渣爐在同一個(gè)結(jié)晶器中重熔的組合式電渣爐.從控制系統(tǒng)方面，又可分為自耦變壓器控制、可控硅控制、PLC控制和計(jì)算機(jī)控制的電渣爐.電源變壓器的形式也有所不同，油冷式變壓器、風(fēng)冷式變壓器、自冷式變壓器.從調(diào)壓方式上分，有載無(wú)級(jí)調(diào)壓、有載有級(jí)調(diào)壓和無(wú)載有級(jí)調(diào)壓等.電源的頻率除我國(guó)普遍采用的工頻外，歐洲還有很多低頻電源的電渣爐.在導(dǎo)電形式上，有原始的“銅辮子線(xiàn)”導(dǎo)電，水冷短網(wǎng)導(dǎo)電，導(dǎo)電立柱導(dǎo)電和“銅軌”導(dǎo)電.有短網(wǎng)通過(guò)導(dǎo)電銅牌直接與卡頭連接的方式，也有滑動(dòng)觸頭與導(dǎo)電立柱連接的同軸導(dǎo)電的方式.總之電渣爐的種類(lèi)繁多，形式各異.

2 各種電渣爐的特點(diǎn)

直流電渣爐起源于美國(guó)，由于需要增加一套整流設(shè)備，造價(jià)很高.加之脫硫能力和精煉效果差.重熔過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)金屬電極“偏吹”或插入金屬熔池等現(xiàn)象.與交流電渣爐相比，直流電渣爐存在著諸多缺點(diǎn)，因此直流電渣爐很少被采用.

目前普遍采用的是交流電源電渣爐.交流電源電渣爐應(yīng)用最廣泛的是單相電渣爐.單相電渣爐具有設(shè)備簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)、制造，造價(jià)較低，易于操作和檢修維護(hù)，冶煉電耗較低以及用途廣泛等一系列優(yōu)點(diǎn).

圖1 北滿(mǎn)特鋼早期引進(jìn)海拉斯公司的單相單支臂電渣爐Fig.1 Early ESR furnace in Beiman special steel plant imported from Hellas company

圖2 北滿(mǎn)特鋼單相雙支臂電渣爐Fig.2 Single phase and double column ESR furnace in Beiman special steel plant

單相電渣爐可分為單相單支臂(爐頭)電渣爐(圖1)，單相雙支臂(爐頭)電渣爐(圖2)和雙極串聯(lián)電渣爐.單支臂電渣爐在國(guó)內(nèi)外都比較常見(jiàn).這種電渣爐沒(méi)有石墨電極造渣，一般都是采取本鋼種金屬電極造渣，邊造渣，邊熔煉的方式進(jìn)行生產(chǎn).在沒(méi)有普遍采用預(yù)熔渣之前，為了提高電渣鋼的冶金質(zhì)量，國(guó)外曾經(jīng)大力推廣過(guò)用化渣爐化渣.化渣爐化渣是在帶有爐襯的鋼包爐中，用石墨電極通電的方法將爐渣熔化，之后將液態(tài)熔渣注入到結(jié)晶器中的進(jìn)行液渣啟動(dòng).如今預(yù)熔渣的推廣和使用在很大程度上取代了化渣爐和液渣啟動(dòng).實(shí)踐表明，在沒(méi)有采用預(yù)熔渣或是液渣啟動(dòng)，也沒(méi)有石墨電極造渣的情況下，單支臂電渣爐的冶金質(zhì)量很容易出現(xiàn)問(wèn)題，而且錠型越大，電渣鋼制品的探傷和低倍問(wèn)題越突出.

另外，單支臂電渣爐都是用一支電極坯料生產(chǎn)一支電渣錠，受大規(guī)格鑄造電極質(zhì)量和制備條件的限制，通常單支臂電渣爐不適合生產(chǎn)較大規(guī)格的電渣錠.

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的還是單相雙支臂(爐頭)電渣爐.雙支臂電渣爐與單支臂電渣爐相比具有更強(qiáng)的生產(chǎn)靈活性，既可以采用預(yù)熔渣，也可采用石墨電極化渣，既可以使用一支電極坯料重熔一支電渣錠，也可以使用多支電極坯料交替重熔一支電渣錠，不僅可以重熔較小規(guī)格的電渣錠，也更加適合重熔大規(guī)格的電渣錠.大連特鋼從因泰克公司引進(jìn)的36 t和100 t電渣爐都是單相雙支臂(爐頭)電渣爐.

另外，在電渣熔鑄異型件方面單相雙支臂電渣爐具有更強(qiáng)的產(chǎn)品適應(yīng)性.

國(guó)內(nèi)無(wú)論是單支臂電渣爐，還是雙支臂電渣爐，大多都是單熔位電渣爐.而國(guó)外雙熔位電渣爐，三熔位電渣爐極為普遍.雙熔位和多熔位電渣爐的主要特點(diǎn)是，可以減少熱停時(shí)間，提高電渣爐的生產(chǎn)作業(yè)率.

尤其值得一提的是，當(dāng)前國(guó)外雙支臂(爐頭)電渣爐更多采用雙電源變壓器供電.每個(gè)爐頭分別配備一臺(tái)電源變壓器.可以利用各自的爐頭和電源變壓器，在中心熔位和外側(cè)熔位的不同的結(jié)晶器中，同時(shí)生產(chǎn)兩個(gè)一般規(guī)格的電渣錠.也可以將兩個(gè)電源變壓器合并使用，在中心熔位的結(jié)晶器中生產(chǎn)出大規(guī)格的電渣錠.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)雙極串聯(lián)電渣爐的數(shù)量有所增加.雙極串聯(lián)電渣爐是在重熔過(guò)程中，兩支電極坯料在同一個(gè)結(jié)晶器中熔煉.電流通過(guò)一支電極和熔渣流向另一支電極，構(gòu)成串聯(lián)回路.由于兩只電極相距較近，相當(dāng)于網(wǎng)路的平行布線(xiàn).因此，網(wǎng)路的感抗損失很小，提高了功率因數(shù)和電效率，使冶煉電耗顯著降低.

不容忽視的是，雙極串聯(lián)電渣爐重熔時(shí)，易出現(xiàn)兩支電極熔化速率不一致的所謂“拐腿”現(xiàn)象，使重熔過(guò)程無(wú)法正常進(jìn)行.采取變壓器中心抽頭和將電極坯料的形狀制作成兩個(gè)半圓型(圖3)，使兩支電極坯料盡可能靠近的方法有利于減輕或消除“拐腿”現(xiàn)象.

圖3 半圓形鑄造電極Fig.3 Semicircular casting electrode

從電極在結(jié)晶器中的分布情況來(lái)看，雙極串聯(lián)電渣爐更加適合生產(chǎn)扁錠或是板坯.

三相電渣爐通常是3支電極在同一個(gè)結(jié)晶器中重熔.主要特點(diǎn)是電網(wǎng)平衡，并且易于通過(guò)電力部門(mén)對(duì)新建項(xiàng)目的審批.可用不同化學(xué)成分的電極坯料進(jìn)行組合重熔，挽救化學(xué)成分廢品和把化學(xué)成分搭配到最佳范圍.因?yàn)?支金屬電極在結(jié)晶器中均衡分布，熱源較為分散，所以三相電渣爐易于獲得淺平的金屬熔池，冶金質(zhì)量好.

三相電渣爐的缺點(diǎn)是，設(shè)備較為復(fù)雜，制作成本相對(duì)較高.因?yàn)殡姌O與電極之間，電極與結(jié)晶器之間要留有適當(dāng)?shù)陌踩g隙，影響充填比的進(jìn)一步提高，冶煉電耗略高于單相大充填比電渣爐.

3 電渣錠錠型大型化的電渣爐爐型的選擇

噸位較小的電渣爐設(shè)計(jì)制作，種類(lèi)和形式的選擇都相對(duì)比較容易.根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)品方向，生產(chǎn)電渣鋼棒材可選擇帶有連續(xù)抽錠功能的快速電渣重熔;產(chǎn)品方向是高端軋輥輥坯，可選擇帶有導(dǎo)電結(jié)晶器功能的新型電渣爐;產(chǎn)品方向是扁錠或是板坯，選擇雙極串聯(lián)電渣爐更加合適;生產(chǎn)高含氮量電站用鋼，可選擇壓力電渣爐;要生產(chǎn)通過(guò)美國(guó)GE公司認(rèn)證的產(chǎn)品，必須選擇恒熔速電渣爐.

電渣錠錠型大型化是我國(guó)電渣重熔發(fā)展的必然趨勢(shì).但較大型電渣爐的選擇是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，不僅涉及到產(chǎn)品的定位和方向，上下工序的工裝水平和能力，本工序的內(nèi)外環(huán)境，還涉及到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力等一系列問(wèn)題.尤其是技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題將要變得十分突出.

眾所周知，電渣錠錠型大型化，絕不是電渣爐和電渣錠幾何尺寸的簡(jiǎn)單放大.設(shè)備機(jī)械和電氣的元器件的承載能力，以及電渣鋼的冶金質(zhì)量都要發(fā)生根本性的、質(zhì)的變化.電渣重熔的熔化速率和凝固都變得難以控制.而且錠型越大質(zhì)量問(wèn)題越加突出.尤其是超大型電渣錠的生產(chǎn)，電渣爐形式選擇不當(dāng)，將失去電渣重熔應(yīng)有的特點(diǎn)，廢品出現(xiàn)率將顯著增加.

為德國(guó)薩爾鋼廠建造165 t電渣爐的ALD公司的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，電渣錠的直徑以1 800 mm為界.直徑超過(guò)1 800 mm，無(wú)論是電渣鋼的表面質(zhì)量，還是內(nèi)在質(zhì)量都將發(fā)生很大變化.

為了解決電渣錠大型化帶來(lái)的一系列問(wèn)題，電渣爐的選型問(wèn)題顯得尤為重要.

3.1 單相電渣爐

單相電渣爐可分為單支臂(爐頭)和雙支臂(爐頭)電渣爐.20 t左右的電渣爐，在有液渣啟動(dòng)或使用預(yù)熔渣的前提下可以制作成單支臂電渣爐.如果沒(méi)有液渣啟動(dòng)，也不采用預(yù)熔渣，就必須建造雙支臂電渣爐，采用石墨電極化渣.否則，電渣鋼的質(zhì)量會(huì)出問(wèn)題.冶金工作者常說(shuō)的一句話(huà)就是“煉好鋼必須煉好渣”.啟動(dòng)方式對(duì)電渣鋼的質(zhì)量是至關(guān)重要的，并且制約了單支臂電渣爐的推廣.

尤其是40～100 t，或是噸位更大的電渣爐，建造成單支臂電渣爐一般不會(huì)收到預(yù)期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果.以100 t電渣爐為例，電渣爐的立柱、絲杠、支臂、料桿，以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都要承受超乎尋常的承載力;電源變壓器、大電流開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)接觸器的負(fù)荷也會(huì)大大增加.

更重要的是生產(chǎn)適應(yīng)性和電渣鋼的產(chǎn)品質(zhì)量將出現(xiàn)更加嚴(yán)重的問(wèn)題.按照電渣錠直徑1 750 mm計(jì)算，選擇0.8的充填比，電極坯料的直徑為1 400 mm，電極坯料的凈長(zhǎng)度為8 300 mm.選擇0.7的充填比，電極坯料的直徑為1 225 mm，電極坯料的凈長(zhǎng)度為10 880 mm.如此長(zhǎng)的鑄造電極，電極模和中注管的制造，以及鑄錠工序的操作都存在著一定的問(wèn)題.與之相關(guān)的電爐煉鋼工序的廠房和吊車(chē)的軌道高度，吊車(chē)噸位，廠房的承重，地坑的深度，電極坯料退火爐的長(zhǎng)度以及電渣重熔工序的電渣爐的高度，吊車(chē)軌道高度，廠房高度都將大大增加.這一系列問(wèn)題都將造成建設(shè)成本的顯著增加.另外，100 t電極坯料的吊運(yùn)、表面清理、焊接問(wèn)題也都存在著一定的難度.

最為關(guān)鍵的是電渣鋼質(zhì)量問(wèn)題.大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，電極坯料的質(zhì)量直接影響電渣鋼的質(zhì)量，具有很強(qiáng)的質(zhì)量遺傳性.如此巨大的電極坯料，自身存在的嚴(yán)重的夾雜物聚集、偏析和化學(xué)成分不均勻的問(wèn)題，靠電渣重熔是無(wú)法徹底消除的.

綜上所述，較大型電渣爐選擇雙支臂，交換電極的形式比單支臂，一支坯煉一支錠的形式更加合理.

另外，選擇大型單相雙支臂電渣爐，應(yīng)當(dāng)把當(dāng)前國(guó)際上流行的熔化速率和冶煉過(guò)程的全計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和帶有高精度重力傳感器的稱(chēng)重系統(tǒng)、帶有4根導(dǎo)電立柱和采用滑動(dòng)接觸器導(dǎo)電的同軸導(dǎo)電系統(tǒng)、氣密型保護(hù)氣氛系統(tǒng)、高精度X－Y電極調(diào)整系統(tǒng)、電極坯料預(yù)熱裝置、渣料自動(dòng)加入器、合金及脫氧劑自動(dòng)加入器、節(jié)水系統(tǒng)和電渣錠熱屏蔽裝置等先進(jìn)特點(diǎn)融合到設(shè)計(jì)當(dāng)中.

3.2 三相電渣爐

三相電渣爐起源于蘇聯(lián)，1959～1960年蘇聯(lián)建成了電渣重熔歷史上的第一臺(tái)三相電渣爐(Э Щ П－2).隨后三相電渣爐逐漸得到推廣.僅英國(guó)就有15臺(tái)以上三相電渣爐.美國(guó)、意大利、德國(guó)、瑞典 、澳大利亞、印度、羅馬尼亞等很多國(guó)家都有三相電渣爐.

我國(guó)三相電渣爐數(shù)量相對(duì)較少.由于軍工的需要，1966年北滿(mǎn)特鋼第一臺(tái)10 t三相電渣爐建成.該電渣爐是由一個(gè)電源變壓器向同在一個(gè)支臂上的3支金屬電極供電.低壓繞組采用“星形”連接，變壓器的中心線(xiàn)與底水箱連接，3支金屬電極相互絕緣.電極的極心圓可以通過(guò)三個(gè)卡頭的伸縮和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整.采用石墨電極造渣和交換電極的方式，可生產(chǎn)3.05～15 t電渣錠.多年來(lái)，北滿(mǎn)特鋼用三相電渣爐生產(chǎn)出的130 mm火炮厚壁身管獲得國(guó)家金牌獎(jiǎng).并為國(guó)外生產(chǎn)出世界上最大口徑的203 mm火炮厚壁身管.生產(chǎn)的86CrMoV7冷軋工作輥輥坯先后獲得國(guó)家金牌獎(jiǎng)、金杯獎(jiǎng).生產(chǎn)的152、155火炮身管、炮尾、飛機(jī)的渦輪盤(pán)和起落架，槍管用鋼，坦克曲軸、裝甲車(chē)扭力軸、核潛艇用鋼、導(dǎo)彈的殼體等高質(zhì)量軍工產(chǎn)品，在軍工行業(yè)具有很高的質(zhì)量信譽(yù).由于冶金質(zhì)量好，三相電渣爐深受用戶(hù)青睞.很多用戶(hù)訂貨時(shí)明確要求產(chǎn)品要用12#三相電渣爐生產(chǎn).為了進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能和提高電渣鋼的產(chǎn)品質(zhì)量，1990年北滿(mǎn)特鋼又建成了最大可生產(chǎn)26.5 t電渣錠的15#三相電渣爐(圖4).幾十年來(lái)，除北京鋼絲繩廠有一些噸位很小的、有襯三相電渣爐外，三相電渣重熔幾乎是北滿(mǎn)特鋼的獨(dú)家技術(shù)(由三個(gè)單相電源變壓器供電，即由三臺(tái)單相雙極串聯(lián)電渣爐組合成的電渣爐，不是真正意義上的三相電渣爐，本文不進(jìn)行討論).

圖4 北滿(mǎn)特鋼三相電渣爐Fig.4 Three phase ESR furnace in Beiman special steel plant

2003年北滿(mǎn)特鋼人把三相電渣重熔技術(shù)帶到山東通裕集團(tuán)，45 t三相電渣爐建成投產(chǎn)后，通裕集團(tuán)又自行建造了兩臺(tái)三相電渣爐.山東煙臺(tái)已建成80 t三相電渣爐，無(wú)錫、宜興等地也有三相電渣爐相繼建成.最近，大連特鋼的30t三相電渣爐已制作完成，并將進(jìn)入安裝階段.

近幾年來(lái)，我國(guó)三相電渣爐的數(shù)量呈逐漸增加的態(tài)勢(shì).尤其是山東通裕集團(tuán)成功地批量生產(chǎn)出供核電使用的單重為75 t左右的質(zhì)量?jī)?yōu)異的電渣錠，進(jìn)一步引起人們對(duì)大型電渣爐形式的思考.通裕集團(tuán)用三相電渣爐生產(chǎn)的75 t電渣錠的直徑約1 750 mm左右，如果生產(chǎn)100 t重的電渣錠，只不過(guò)是再延長(zhǎng)些冶煉時(shí)間，進(jìn)一步增加電渣錠的高度而已.電渣錠的形狀將更加符合細(xì)長(zhǎng)化的要求.

三相電渣爐除前面提到的電網(wǎng)平衡，可把化學(xué)成分搭配到最佳范圍、易于獲得淺平的金屬熔池等優(yōu)點(diǎn)外，還有電極坯料適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn).大型單相電渣爐，尤其是大型單相單支臂電渣爐，電極坯料只能采用大規(guī)格的鑄造電極.電極坯料制備較為困難.而大型三相電渣爐，可以用多組電極重熔出一支電渣錠.每組電極可以由3支、6支甚至9支小規(guī)格的電極坯料組成(每支假電極上可以焊接1～3支電極坯料，每組電極可以是3～9支電極坯料).電極坯料即可以是鑄造的，也可以是軋制的，或者是連鑄的.電極坯料可以是圓形，也可以是方形，或是長(zhǎng)方形.具有很大的靈活性.

更重要的是，電極坯料的質(zhì)量決定電渣鋼的質(zhì)量.把大規(guī)格的鑄造電極坯料分散成若干個(gè)小電極坯料，可以有效地解決大規(guī)格鑄造電極自身存在著的夾雜物容易聚集、偏析和化學(xué)成分的均勻性等問(wèn)題，這些問(wèn)題都是電渣重熔很難徹底消除的.另外，如果使用軋制電極或是連鑄坯重熔，電渣鋼的質(zhì)量會(huì)更好.因?yàn)檐堉齐姌O或是連鑄坯的質(zhì)量明顯高于鑄造電極坯料.

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn).無(wú)論是北滿(mǎn)特鋼三相電渣爐近50年的電渣重熔歷程，還是山東通裕集團(tuán)公司成功批量地生產(chǎn)出重達(dá)75 t的，質(zhì)量?jī)?yōu)異的核電站用鋼，都足以證明三相電渣爐生產(chǎn)較大型及大型電渣錠的可行性和可靠性.

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)大型電渣爐可選擇單相雙支臂交換電極式電渣爐.本著工裝水平與國(guó)際先進(jìn)水平接軌的思想，應(yīng)當(dāng)把當(dāng)前國(guó)際上流行先進(jìn)技術(shù)融合到設(shè)計(jì)當(dāng)中.

(2)生產(chǎn)實(shí)踐證明，三相電渣爐可以成為大型電渣錠生產(chǎn)的一種新的選擇.

［1］李正邦.電渣冶金的理論與實(shí)踐［M］.北京 冶金工業(yè)出版社，2010.

［2］隋鐵流.電渣冶煉項(xiàng)目組赴歐洲考察報(bào)告［R］.2008.

［3］烏克蘭巴頓電焊研究所.康薩克公司.ALD公司.因泰克公司等技術(shù)交流資料.

［4］李正邦等譯.電渣爐［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

Type，structure and choose method for ESR

SUI Tie-liu

(DongBei special steel group CO.，LTD，116031)

Types，structure and choose method of ESR(electroslag remelting furnace)has been introduced in this paper.The emphasis has been focused on choosing large－ scale ESR furnace.

electroslag furnace;structure;type

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0145-05

2010-10-15.

隋鐵流 (1949—)，男，高級(jí)工程師.